מדידת הגידול T2* זמני הרפיה לאחר מתן ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל

Summary

אנו מציגים פרוטוקול סטנדרטי לכימות זמני הרפיה T2* של גידולים באמצעות תוכנה חיצונית. תמונות הד הדרגתיות מרובות הד נרכשות ומוזנות לתוך התוכנה כדי ליצור מפות גידול T2* ולמדוד את זמני ההרפיה של הגידול T2*.

Abstract

T2* relaxometry היא אחת השיטות שנקבעו למדוד את ההשפעה של חלקיקי תחמוצת ברזל superparamagnetic על רקמות הגידול עם דימות תהודה מגנטית (MRI). ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל מקצרים את זמני ההרפיה של גידולים מסוג T1, T2 ו-T2*. בעוד אפקט T1 משתנה בהתבסס על גודל והרכב הננו-חלקיקים, השפעות T2 ו- T2* הן בדרך כלל השולטות, ומדידות T2* הן היעילות ביותר בזמן בהקשר קליני. כאן, אנו מציגים את הגישה שלנו למדידת זמני הרפיה של גידול T2*, באמצעות רצפי הד הדרגתיים מרובי הדהוד, תוכנה חיצונית ופרוטוקול סטנדרטי ליצירת מפת T2* עם תוכנה שאינה תלויה בסורק. זה מאפשר השוואה של נתוני הדמיה מסורקים קליניים שונים, ספקים שונים ועבודות מחקר קו-קליניות (כלומר, נתוני גידול T2* שהתקבלו במודלים של עכברים ובחולים). לאחר התקנת התוכנה, יש להתקין את תוסף T2 Fit Map ממנהל התוספים. פרוטוקול זה מספק פרטים פרוצדורליים שלב אחר שלב, החל מייבוא רצפי הד הדרגתיים מרובי הד לתוכנה, ליצירת מפות T2* מקודדות בצבע ומדידת זמני הרפיה של גידול T2*. ניתן ליישם את הפרוטוקול על גידולים מוצקים בכל חלק בגוף והוא אומת על סמך נתוני הדמיה פרה-קליניים ונתונים קליניים בחולים. זה יכול להקל על מדידות גידול T2* עבור ניסויים קליניים רב-מרכזיים ולשפר את הסטנדרטיזציה והשחזור של מדידות גידול T2* בניתוחי נתונים קליניים ורב-מרכזיים.

Introduction

כימות לא פולשני של זמני הרפיה של הגידול T2* ברקמות שונות בגוף באמצעות הדמיית תהודה מגנטית (MRI) מבוסס באופן נרחב¹. הרציונל של מאמר זה הוא לספק פרוטוקול למדידת זמני הרפיה של הגידול T2* שאינו תלוי בתוכנת סורק כמו Osirix². זה יאפשר ניתוח אחיד של נתוני הדמיה ממרכזים שונים, סורקים שונים וספקים שונים. ואכן, אלפי משתמשים יכולים להשתמש באותה גישה, ובכך להגדיל את הסטנדרטיזציה של מדידות גידול T2*. מדידות T2* משמשות למטרות שונות על ידי נוירורדיולוגים, מומחים לדימות לב ומומחים לדימות בטן, בין היתר. רצפי דופק MRI למדידות של זמני הרפיה של רקמות T2* יושמו והותאמו להערכת דימומים תוך גולגולתיים³, תכולת ברזל בכבד^1,4 ותכולת ברזל לב^5,6, בין היתר. חוקרים אחרים השתמשו במדידות T2* כדי לייצר הערכות כמותיות של הצטברות ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל בגידולים ממאירים ^7,8. עם זאת, רבות מהגישות הקודמות הללו השתמשו בתוכנות מוסדיות או בתוכנות סורק ספציפיות, שהיו מוגבלות לשימוש במוסד מסוים או לעיבוד נתונים שהתקבלו בסורק ספציפי. במאמר זה אנו מתארים גישה אוניברסלית ישימה ליצירת מפות גידול מסוג T2* וזמני הרפיה של הגידול T2* בהתבסס על נתוני MRI פרה-קליניים או קליניים מכל סורק שיכול להפיק תמונות הד הדרגתיות מרובות הד. רצף ההד ההדרגתי הנדרש צריך להיות בעל זמני הד ראשונים קצרים מאוד וריווח בין הד קרוב ^9,10. לאחר מכן מוזנות תמונות ההד ההדרגתי מרובה ההד לתוכנה החיצונית, מפות הגידול T2* מחושבות, וזמני ההרפיה של הגידול T2* נמדדים. התוסף T2 Fit Map בעקומות הדעיכה T2* של הדגמים החיצוניים כהתאמה חד-מעריכית ל-S(t) = S_o ^{e-t/T2* 11} כאשר S(t) מייצג את ערך האות או התהליך בזמן נתון t; S 0 הוא הערך ההתחלתי של האות או התהליך ב- t =₀; t מציין זמן; T₂*, הידוע גם בשם זמן הרפיה רוחבי לכאורה, מאפיין את קצב הדעיכה של האות או התהליך; ו-e הוא הבסיס של הלוגריתם הטבעי (שווה בקירוב ל-2.71828). המשוואה מתארת דעיכה מעריכית, שבה האות או התהליך פוחתים עם הזמן כפונקציה של קצב הדעיכה T₂*. ככל שהערך של T₂* גדול יותר, כך קצב הדעיכה איטי יותר, ולהיפך. ניתן להשתמש באותה תוכנה גם כדי להזין תמונות הד ספין מרובות הד וליצור ערכי T2 של הגידול על ידי התאמת עקומת הדעיכה T2 ל- S(t) = S_o ^e-t/T2. התאמת העקומה בוצעה באמצעות תוכנה חיצונית, ללא שילוב היסט קבוע. שתי עקומות הדעיכה מציגות התנהגות מעריכית יחידה, כאשר T2* מדגים משך זמן קצר יותר בהשוואה ל-T2.

בחולים עם המוסידרוזיס והמוכרומטוזיס, כימות תכולת הברזל בכבד על ידי ביופסיית רקמות הוא תקן הזהב, ואילו הדמיית MR לא פולשנית היא נקודת הטיפול לקביעת ערכי בסיס ומעקב אחר שינויים לאורך זמן באופן לא פולשני^12,13. בעוד שהפקת מפות T2* לכימות ברזל בכבד מבוססת היטב⁴, אין פרוטוקול סטנדרטי למדידת זמני הרפיה של הגידול T2*. בעוד שמפות T2* יכולות להיווצר גם על ידי תוכנת סורק, הן מוגבלות לסורק וספק ספציפיים. בתחום האונקולוגיה, מחקרי הדמיה סדרתיים של חולה נתון מתבצעים לעיתים קרובות על סורקים שונים, ונתוני MRI רב-מרכזיים נרכשים על סמך מחקרי הדמיה מסורקים שונים ומספקים שונים. בנוסף, מחקר הדמיה קו-קליני מיושם יותר ויותר ודורש השוואה של נתוני MRI של חולים ומודלים עכבריים המדמים את הגידול שלהם. מטרת פרוטוקול זה היא לספק פרוטוקול למדידת זמני הרפיה של הגידול T2* שאינם תלויים בתוכנת הסורק. הדבר יאפשר ניתוח אחיד של נתוני הדמיה ממרכזים שונים ומסורקים שונים. ואכן, אלפי משתמשים יכולים להשתמש באותה גישה, ובכך להגדיל את הסטנדרטיזציה ואת יכולת השחזור של מדידות גידול T2*. הפרוטוקול שלנו משתמש בתוכנות חיצוניות, אותן ניתן להוריד מהאינטרנט. תמונות הד הדרגתיות מרובות הד מוזנות לתוך התוכנה ומתאימות לנוסחה לדעיכה חד-מעריכית כדי ליצור מפת T2*, שעליה ניתן למדוד את זמני ההרפיה של הגידול T2* באמצעות אזורי עניין (ROIs⁾ המוגדרים על-ידי אופרטור5. ניתן להחדיר ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל במינונים שונים¹⁴, במחקר שלנו, המטופל קיבל זריקת פרומוקסיטול (30 מ"ג/מ"ל) המכילה 510 מ"ג ברזל יסודי בנפח 17 מ"ל, במינון של 5 מ"ג ברזל יסודי לכל ק"ג משקל גוף. לאחר מכן התקבלו רצפי הד הדרגתיים מרובי הד¹⁵ באמצעות פרמטרים קבועים של רצף לרכישת נתונים.

Protocol

פרוטוקול זה נוצר עבור ניסוי קליני פרוספקטיבי ומחקר קליני משותף. המחקר תואם לחוק ניידות ואחריות ביטוח בריאות (HIPAA) ואושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת סטנפורד (IRB). כל המטופלים או נציגיהם המוסמכים על פי חוק חתמו על הסכמה מדעת בכתב, וכל הילדים בגילאי 7 עד 18 חתמו על טופס הסכמה.

1. התקנה והפעלה של תוסף T2 Fit Map

1. הפעל את תוכנת Osirix. התקן את תוסף T2 Fit Map ממנהל התוספים והפעל מחדש את התוכנה.
   1. בשורת התפריטים, לחץ על לחצן תוספים. לחץ על התפריט הנפתח ובחר התקן חבילת תוספים (איור 1).
   2. לאחר טעינת מנהל התוספים, בחר את התוספים הזמינים מהתפריט הנפתח ולאחר מכן T2 Fit Map (איור 2).
   3. לחץ על הורד והתקן. סגור את מנהל התוספים והפעל מחדש את התוכנה.
2. טען את תמונות רצף ההד של מעבר הצבע מרובה ההד כקובצי DICOM לתוך התוכנה.
3. שנה את פונקציית לחצן העכבר כדי לצייר אזור עניין (ROI) (איור 3).
4. באמצעות פונקציית לחצן עכבר זו, הגדר צורה עבור החזר ההשקעה הנדרש: בחר אליפסה או מצולע סגור, או את הצורה הרצויה מהתפריט הנפתח (איור 4).
5. צייר ROI בתמונות הנדרשות עם זמני הד שונים (TEs).
6. בחר את החזר ההשקעה בכל התמונות עם TEs שונים שעבורן נדרשת מפת T2*.
7. לחץ על לחצן תוספים , בחר מסנני תמונה מהתפריט הנפתח ולאחר מכן בחר T2 Fit Map.
8. לחץ על T2 Fit Map. תיפתח תיבת דו-שיח; לחץ על צור מפה (הממוקמת בתחתית תיבת הדו-שיח) (איור 5).
   הערה: עקומת התאמה נוצרת עם ערכי T2* מינימליים, ממוצעים ומרביים עבור החזר ההשקעה שנבחר עם TEs (ms) שונים. הערך הממוצע T2* מחושב ומוצג מתחת לעקומה (איור 6).

איור 1: בחירה באפשרות 'התקן חבילת תוספים' מהתפריט הנפתח. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: בחירת 'T2 Fit Map' מהתוספים הזמינים. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: צילום מסך המדגים כיצד לשנות את פונקציית לחצן העכבר כדי לצייר אזור עניין (ROI). לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: צילום מסך המראה כיצד לבחור צורות שונות עבור החזר ההשקעה. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: צילום מסך המראה כיצד לבחור 'צור מפה' לאחר בחירה באפשרות 'T2 Fit Map'. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: צילום מסך המציג את יצירת העקומה המתאימה לערכי T2*. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

2. הרחקת רעש באמצעות הגדרת המסכה

הערה: כדי להגדיר מסיכה על ההד הראשון של נתוני T2map_MSME המשמשים לחישוב המפות הפרמטריות, הגדר סף אות הד ראשון נמוך יותר לחישוב ערך T2* (נפח המפה T2* לא יכלול כעת את הפיקסלים עם אותות נמוכים מדי לחישוב מדויק בהד מרובה הספין הראשון (MSME). ניתן להגדיל את הסף כדי לא לכלול פיקסלים נוספים, או להקטין אותו כדי לכלול פיקסלים נוספים).

1. להגדרת החזר ההשקעה על מסיכה בסדרת תמונות מחוץ לנתונים הפרמטריים, פתחו את הסדרה הרצויה (לדוגמה, הד ראשון של T2map_MSME עם TE = 15) ובחרו פרוסה.
2. בתחתית התפריט הנפתח החזר השקעה, בחר אזור צמח....
3. בחר בלחצן האפשרויות 3D Growing Region... (איור 7).
4. בתפריט הנפתח אלגוריתם, בחר סף (חסם תחתון/עליון).
5. הגדר את הסף התחתון והעליון ל- 0 ו- X% של אות שריר השוק הנגדי, בהתאמה (למשל, הגדר את הסף לערך שימסך את הכתמים הרבים ביותר בהחזר ההשקעה של הגידול וישאיר את הגידול היקר ביותר T2(*)s).
6. הגדר את שם החזר ההשקעה כרצונך.
7. לחץ על התמונה כדי למקם זרע לגידול ROI.
8. לחץ על הלחצן מחשוב .
9. בתפריט החזר השקעה, בחר שמור את כל החזרי ההשקעה של סדרה זו... (איור 8).
   הערה: כעת, החזר ההשקעה המגדיר את האזור שיש להסוות מהמפות הפרמטריות נשמר וניתן להחיל אותו על הנתונים הפרמטריים.
10. פתח את ערכת הנתונים הפרמטרית במציג 4D.
11. בתפריט החזר השקעה, בחר ייבוא החזר השקעה....
    הערה: החזר ההשקעה על המסכה נמצא כעת בסדרה הפרמטרית הראשונה.
12. ודא שההחזר על ההשקעה נמצא בנפח התלת-ממדי הראשון ולא ב-4D.
13. החילו מסיכה כדי למפות את הנתונים. לשם כך, בתחתית התפריט הנפתח החזר השקעה, בחר הגדר ערכי פיקסלים ל. לאחר מכן, בחר החל על: החזר השקעה עם אותו שם... (איור 9).
14. סמן את התיבה הפץ לסידרת 4D .
15. הגדר פיקסלים שנמצאים בתוך החזר השקעה.
16. הגדר לערך חדש זה: כ- 0.

איור 7: צילום מסך המציג את פרמטרי הסגמנטציה. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8: צילום מסך המראה כיצד לבחור באפשרות "שמור את כל ההחזרים על ההשקעה של סדרה זו...". אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 9: צילום מסך המציג את הערכים שיש להזין ב"הגדר ערכי פיקסלים ל". לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Representative Results

איור 10: מפת T2* עם החזר השקעה על נגע אוסטאוסרקומה גרורתי המציג את הערך הממוצע וסטיית התקן T2*. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 11: עקומת התאמה לערכי T2* עבור מפת T2* במטופל עם אוסטאוסרקומה גרורתית. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 12: מפת T2* מונחת על תמונה משוקללת T1 במטופל זה עם אוסטאוסרקומה גרורתית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

בדיקת ה-MRI בוצעה בסורק מסחרי. פרוסה צירית דרך החזה צולמה באמצעות רצף הד הדרגתי רב-הד יחיד עוצר נשימה עם טווח של TEs (1.22-9.98 אלפיות השנייה). T2* נמדד באמצעות פרוטוקול זה מתוך החזר ההשקעה המכסה את הגידול כולו בכל הפרוסות, תוך הימנעות מהרקמות שמסביב. מדידות T2* בוצעו על ידי שני משקיפים שונים. ממוצע המדידות מכל הפרוסות חושב עבור כל צופה. קצב ההרפיה של הגידול T2* נמדד על-ידי הצבת החזר השקעה כדי לכלול את כל רקמת הגידול על פרוסה צירית מייצגת דרך מרכז רקמת הגידול (איור 10). איור 11 מראה עקומת התאמה שנוצרה עם ערכי T2* מינימליים, ממוצעים ומקסימליים עבור החזר ההשקעה שנבחר עם TEs (ms) שונים עבור מטופל זה. שיעור ההרפיה של הגידול T2* בסריקת המטופל שלנו היה 6.8 אלפיות השנייה. לצורך ייצוג חזותי, מפות T2* המקודדות בצבע מוזגו עם תמונת הד משוקללת משוקללת T1 עם ניגודיות משופרת לצורך התמצאות אנטומית (איור 12). תוצאה חיובית עבור פרוטוקול זה תייצג את ערך T2* ברקמה הספציפית (איור 10 ואיור 11).

Discussion

הפרוטוקול שלנו מאפשר לנו למדוד את זמני ההרפיה של הגידול T2* בהתבסס על רצפי הד הדרגתיים מרובי הד, תוכנה חיצונית ותוסף ליצירת מפות T2*. השלבים הקריטיים בתוך הפרוטוקול הם הכללת רצף ההד ההדרגתי מרובה ההד עם TEs קצרים מאוד לתוך פרוטוקול הסריקה, וההתאמה המונו-מעריכית של תמונות הד הדרגתי מרובה הד באמצעות תוכנה חיצונית. חשוב לסדר את תמונות הקלט מרובות הד הדרגתי-הד בהתאם לזמני הרכישה שלהן. ניתן להשיג זאת על ידי מיון סדרת נתוני ההדמיה לפי זמן רכישה בתוכנה החיצונית תחת התפריט הנפתח העדפות: מסד נתונים.

התוכנה בה אנו משתמשים מיישמת התאמה מונו-מעריכית כדי להזין הד הדרגתי מרובה הדהוד ללא היסט קבוע עבור התאמת T2*. גישה זו יכולה להיות לא מספקת עבור רקמות עם רמת עומס ברזל גבוהה מאוד (T2* < 2-3 אלפיות השנייה), שם בשל הערך הנמוך T2*, אות ה- MR מגיע ל"מישור" השווה לרעש MR Rician המתוקן. זה בדרך כלל לא המקרה לאחר הזרקה תוך ורידית של חלקיקי תחמוצת ברזל. עם זאת, אם יש להבחין בהצטברות ננו-חלקיקים מסומנת ברקמת הגידול, אזי השימוש במודל מעריכי טהור יכול להוביל לטעות אבחון חשובה, אשר ניתן לטפל בה על ידי שיטת הקיזוז החד-מעריכי 5^{או שיטת} החיתוך החד-מעריכי R^{2 5} כדי לקבל תוצאות T2* מדויקות יותר. ניתן ליישם בקלות את שיטת החיתוך על-ידי הפחתת מספר קובצי DICOM בתהליך ההתאמה. אנו מציעים גם גישה חדשה בתוכנה, כמתואר בפרוטוקול 2; עבור גידולים עם הצטברות חלקיקי תחמוצת ברזל מסומנת וערכי T2* מקוצרים משמעותית הקרובים לאפס, אנו מגדירים מסכה על תמונות הגודל הפרמטריות או סדרה אחרת כדי לקבוע סף אות נמוך יותר לניתוח ערכי T2*. פעולה זו מפחיתה רישום שגוי ושגיאות בתהליך ההתאמה T2*. ניתן למדוד את הכמות היחסית והמוחלטת של פיקסלים עם ערכי T2* קרובים לאפס גם בגישה זו. גישה זו נבדקה על נתונים פרה-קליניים עם תרגום פוטנציאלי לחולים קליניים.

הפרוטוקול שלנו מציע ישימות רחבה מכיוון שהוא אינו דורש ידע בשפת תכנות, בניגוד לשיטת הריבועים הליניאריים הפחותים הדורשת שימוש ב- 3D Slicer^16,17. עם זאת, מספר התכונות הזמינות עבור מיפוי T2* ו- T2 בגרסה החינמית של התוכנה מוגבל בהשוואה לגרסה בתשלום. מגבלה נוספת של שימוש בתוכנה זו היא האמינות שלה במערכת MacOS. בעיה מעשית יכולה להיות היעדר יצירת מפת T2 * עם התוכנה. כפתרון בעיות, אם אין יצירת מפות T2*, מומלץ להשתמש בכלי החזר ההשקעה כדי לבדוק את TEs. אם תמונות ההד ההדרגתי מרובה ההד אינן מסודרות לפי סדר ה- TEs שלהן, אירעה שגיאה ביצירת מפות T2*. לכן, מומלץ מאוד לסדר את תמונות ההד ההדרגתיות מרובות ההד בהתאם ל- TEs שלהן ולפתור את התהליך.

יתרון של פרוטוקול זה בהשוואה לתוכנות קיימות אחרות^16,18,19 הוא קלות השימוש היחסית בשל היעדר דרישה לידע בתכנות. פרוטוקול זה מאפשר גם פרויקטים של הבטחת איכות ושיפור איכות, שכן הוא מאפשר הערכה מהירה של מדידות מרובות, אשר בתורן מאפשרות מדידות שחזור וחזרתיות.

אימות וסטנדרטיזציה נוספים של הפרוטוקול שלנו יאפשרו שימוש נרחב למדידות גידול T2* של נתונים מסורקים שונים, יצרנים שונים ומוסדות שונים. זה יקל על הערכות אורך של חולים שעוברים מדידות T2* באתרים שונים. בנוסף, פרוטוקול סטנדרטי יסייע לנתח מדידות גידול T2* עבור ניסויים קליניים רב-מרכזיים. יישום קליני פוטנציאלי נוסף של פרוטוקול זה הוא תיאור של המוסידרין ברקמות הגידול²⁰. יישומים קליניים אפשריים אחרים כוללים הערכה של חולי גידול עם טיפול ממוקד חיסון עם רמות גבוהות של מקרופאגים הקשורים לגידול, ניטור תגובת הגידול לטיפולים אלה באנשים אלה 21,22, ותיאור שיפור נגעים בכבד באמצעות חומר הניגוד תחמוצת ברזל superparamagnetic 23,24 ו ferucarbotran ^25,26.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
OsiriX	Pixmeo SARL		https://www.osirix-viewer.com/
3T GE MR 750	GE Healthcare, Chicago, IL
FERAHEME (ferumoxytol injection)	AMAG Pharmaceuticals, Inc. 1100 Winter Street Waltham, MA 02451